機載間隔管理技術研究及實現

章學鋒 馮濤

摘 要 本文簡要介紹了機載間隔管理的工作原理，描述了機載間隔管理的關鍵技術及其系統實現方法，并通過半物理仿真方式對系統進行了初步測試，驗證了機載間隔管理系統的技術能力，表明了機載間隔管理實現的可行性，最后指出機載間隔管理在當前階段下的現實意義，也是未來空中航行管理的發展趨勢。

關鍵詞 機載間隔管理；飛行安全；沖突探測

前言

空中間隔管理最基本的方法是飛行規則和地面ATC人員的管制指揮。當因管制員指揮失誤、管制設備故障等各種原因導致飛行出現了沖突碰撞危險時，空中交通防撞系統TCAS將發揮作用，提前發出預警并在最后階段給出碰撞解脫咨詢，確保飛機及時調整飛行高度以避免碰撞。TCAS是戰術級的防撞手段，具有典型的“應急”、“緊急”特征，不具備靈活性，無法支持飛行員靈活飛行的咨詢建議和管理。

機載間隔管理系統能夠實現基于ADS-B技術的空中沖突管理（沖突檢測、沖突預警、沖突解脫），可以在較大范圍內給出沖突預警，支持自主間隔保障，極大程度上支撐飛行靈活性的需要。系統成本低，可以實現與現行TCAS的兼容。

1 機載間隔管理技術

1.1 基本原理及關鍵技術

在實際處理中，根據飛機的速度、航向和三維位置建立以時間間隔和空間間隔結合的沖突區域，包括沖突避免區（CAZ）和保護間隔區（PAZ）。沖突檢測的方法是通過計算兩架飛機在未來一定時間段內是否存在PAZ/CAZ區域相互交疊的可能性，以及保護區域相互交疊的時間等信息來判斷沖突的可能和危險級別，提出的沖突解決措施不能產生新的沖突狀況[1]。TCAS系統能夠在飛機之間出現沖突危險后給出解決措施，機載間隔管理系統要完成“事后”，還要在“事前”即出現威脅之前就能預測到沖突的發生，進而提出避免的方法。

1.2 系統實現方法

（1）信息融合方法

基于多源監視信息的差異性，采用局部最優結合最后的全局最優估計的信息融合方法。子系統1到N分別與主系統由局部濾波器1到N進行組合，完成局部最優狀態估計。這一層是并行處理的分散最優估計，是基于測量空間的分散化估計，經過局部最優估計后再由全局濾波器進行融合，以獲得組合導航和監視系統的全局最優融合估計。

對于線性離散系統，若由N個局部濾波器得到的狀態估計為，假設局部估計不相關，相應的估計誤差方差為，則全局最優估計為：

（2）沖突檢測方法

①水平方向侵入保護區。當垂直速度為零時，如果將有沖突發生，垂直方向上已處于保護區內，同時水平方向上進入保護區。為本機與目標機在水平面上的相對位置，為相對速度水平方向分量，假設本機為坐標中心，則目標機在秒后的位置為。這里和均是水平方向上的二維向量。設

在檢驗是否有沖突時，需要判斷的是判別式是否大于零。所以只需計算是否大于零。

②垂直方向侵入保護區。如果垂直速度不為零，需要考慮目標飛機從水平方向和垂直方向侵入本機保護區的時間。垂直方向侵入保護區的時間為：

（3）系統實現結構

為實現空中間隔管理功能，系統與本地信息源GPS、氣壓高度編碼表、ADS-B機載端機、TCAS和CDTI等設備交聯。其中，本地信息源為系統提供本地導航信息，包括飛機的位置、時間、水平速度和垂直速度等；ADS-B、TCAS、數據鏈等設備通過旁路輸入作用距離內的目標數據報告，提供周邊空域的交通態勢；CDTI接收系統提供的告警信息，當檢測到沖突時顯示相關告警信息和解脫建議。系統組成及交聯關系如圖1所示。

1.3 仿真測試

通過系統主機結合模擬信息源和專用軟件仿真測試，對系統技術進行了驗證，表明系統在仿真條件下的可行性。數據鏈模擬器軟件通過設置可產生和代替數據鏈設備發出UAT、1090ES等報文，模擬實驗室環境下的真實數據[2]。利用Creator和Vega軟件配置輸入，仿真三級沖突檢測算法，根據算法計算結果表明在路徑交叉點周圍發生沖突，并給出相應沖突級別、沖突時間和極坐標位置。軟件仿真測試界面如圖2所示。

2 結論與展望

空中間隔管理系統在現階段下可以依賴ADS-B和TCAS數據源，并可結合TIS-B、S模式數據鏈等數據源，獲得高精度的目標定位和交通態勢，從而支撐間隔保持和沖突避免。但仍然存在一些需要改善的問題，如ADS-B數據的可用性、S模式數據鏈的更新速率等，這些問題會影響對目標精確定位的可靠性，給沖突檢測及解脫帶來誤差，從而影響飛行安全，抑制飛行靈活性。

參考文獻

[1] 張軍.現代空中交通管理[M].北京航空航天大學出版社，2005：112-114.

[2] 杜萬營，陳惠萍.ADS-B監視技術在空中交通服務中的應用研究[J].中國民航大學學報，2008，28（6）：23-28.